09 Lo Que Ocurre en El Int

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LO QUE OCURRE EN EL INTERIOR DE LA CALDERA(Y EN EL RESTO DEL SISTEMA DE VAPOR)

Seminario sobre intercambio inico, agua y energa, Rosario, Septiembre 1990


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LO QUE OCURRE EN EL INTERIOR DE LA CALDERA

(Y EN EL RESTO DEL SISTEMA DE VAPOR)

IDRECO SUDAMERICANA SA

Seminario sobre intercambio inico, Agua y Energa, Rosario, Septiembre 1990

Ing. Ricardo E. PAUER Gte. de Ingeniera

IntroduccinCuando el agua ingresa a unacaldera(generador de vapor), inevitablemente transportaslidos disueltos, slidos en suspensin y gases, en una magnitud que depende del

tratamiento al que haya sido sometida para su acondicionamiento.

Al ingresar elagua, esta recibe un aporte intensode calor, eleva su temperatura hastaalcanzar el punto de ebullicin, se evapora y sale de la caldera. El vapor, en condiciones

ideales, no contiene slidos. Por lo tanto los slidos contenidos en el agua que permanece

en la caldera resultan cada vez mas concentrados. A medida que el vapor sale, se agrega

igual cantidad de agua de alimentacin, con lo que ms slidos ingresan al sistema.

Si la caldera no se purga, es decir si no se extrae parte del agua donde los slidos se han

concentrado, estos continuarn aumentando su concentracin hasta que se superen sus

solubilidades y comiencen a "salir" de la solucin. Estos slidos en suspensin,

dependiendo de su naturaleza, precipitan y se depositan sobre las superficies de

calefaccin calientes (tubos) sufriendo transformaciones qumicas que los convierten en

incrustaciones; o simplemente incrementan los slidos en suspensin en el agua de la

caldera. Este incremento, junto a una mayor tendencia a formar espumas, contribuye a

aumentar el arrastre de agua por el vapor, lo que de alguna manera termina actuando

como purga.

Los problemas creados por los slidos en los sistemas de vapor son muchos, tales como

problemas de corrosin, erosin y desbalanceo de las turbinas, prdida de eficiencia, falla

de los tubos de la caldera y de los sobrecalentadores, etc.

Mediante la purga se puede mantener bajo control la concentracin de los slidos en elinterior de la caldera. Esta purga puede hacerse en forma continua o peridicamente, ya

que las calderas poseen un "recipiente" o "tanque" inferior donde los slidos

sedimentables tienden a concentrarse. En estos casos, purgas intermitentes de corta

duracin dan a veces mejor resultado.

La purga se regula para mantener la concentracin de slidos dentro de ciertos valores,

que dependen fundamentalmente de la presin de operacin y de la potencia de la caldera.

La figura 1 es una tabla que muestra los valores tradicionalmente recomendados por la

ABMA (American Boiler Manufacturer's Association). (Los ltimos dos renglones se han

extrado de otras referencias).


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Figura 1A.B.M.A. BOILER WATER LIMITSBoiler

pressureTotal Solids

"as is"Slica as

SiO2Total

AlkalinitySuspended

Solids(psig) (ppm) (ppm) (ppm CO3Ca) (ppm)

0-300 3500 150 700 300

301-450 3000 90 600 250

451-600 2500 40 500 150

601-750 2000 30 400 100

751-900 1500 20 300 60

907-1000 1250 8 250 40

Conductivity / TDS

(S/Cm) / ppm

1001-1500 150 / 100 2 0 20

1501-2000 100 / 70 1 0 10

(All slica limits from 450 psig and up have been calculated to prevent volatilization of

Silica into the steam)

La figura 2 es otra tabla donde se indica que sustancias se hallan normalmente presentes

en el agua de alimentacin de las calderas, las que se agregan como parte del

tratamiento, y las que se forman en distintas transformaciones qumicas.


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Figura 2SOLIDOS PRESENTES EN EL AGUA DE LA CALDERA LUEGO DEL TRATAMIENTOSustancia Tipo de sustancia Presentes Agregados Formados

SO4Na2 SD X X

ClNa SD X

CO3Na2 SD X

NaOH SD X X

PO4Na3 SD X

SO3Na2 SD X

NO3Na SD X X

SiO2 SD , SS X XMat. Organica SD, SS X X

(PO4)2Ca3 SS X

CO3Ca SS X

Mg (OH)2 SS X

MgSiO3 SS X

Arena SS X

Aracilla SS X

Barro SS X

SD: Slidos disueltos; SS: Slidos en suspensin.

En la actualidad las calderas se construyen cada vez mas compactas, lo que implica la

utilizacin de una mayor potencia trmica por unidad de rea, y por lo tanto tubos mas

exigidos.

Por ello, los lmites actuales fijados por los fabricantes tienden a ser mas exigentes (mas

bajos).

El caudal de purga (o el valor promedio si es intermitente) referido al caudal de agua de

alimentacin nos da el porcentaje de purga. Ntese que el porcentaje de purga se refiere

al caudal

de alimentacin y no al de agua de reposicin.

Si dividimos 100 por el porcentaje de purga obtenemos los ciclos de concentracin, o sea

las veces que se han concentrado los slidos.

Supongamos una caldera de 100 ton/h, con un volumen de agua de 20 toneladas.

Cargamos la caldera y evaporamos el agua, manteniendo el nivel con agua de

alimentacin. Cuando han salido 20 ton de vapor, ha entrado otro tanto de agua de

alimentacin. Los slidos contenidos en las 20 ton de agua son los que estaban en las 20

ton iniciales mas los que entraron con las otras 20 ton, es decir el doble. Esto se

denomina tener dos ciclos de concentracin. De la misma manera, cuando se han

producido 200 ton de vapor, se han producido 10 ciclos de concentracin, y los slidos


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contenidos en el agua inicial, si no se ha purgado nada, han aumentado su concentracin

tambin en un factor diez.

Tomemos como ejemplo una caldera trabajando a 50 Kg/Cm2 (750 psi). Segn la

informacin de la tabla queremos mantener una concentracin que no supere las 2000

ppm. Supongamos que el agua de alimentacin (retorno de condensado mas agua de

aporte, ambos ablandados) tiene 50 ppm de salinidad. El nmero de ciclos de

concentracin admisible resulta de: 2000/50=40; y el porcentaje de purga requerido es

de: 100/40=2.5%. Si la produccin de vapor es de aprox. 100 ton/h, el caudal de agua de

alimentacin debe ser: 100/(1-0.025)=102.56 ton/h, y la purga: .025 x 102.56=2.56

ton/h.

Si el retorno de condensado es del orden del 80%, con contenido de slidos despreciable

frente al del agua de aporte (ablandada), las 50 ppm supuestas provienen del 20% de agua

de aporte. Es decir que esta agua no debe tener mas de 50 x 100 / 20 = 250 ppm. En la

prctica debe tenerse en cuenta que los slidos aportados por el agua sufren

modificaciones por efecto de la temperatura.

Adems, otros slidos son agregados como parte del tratamiento interno que se utilice (la

figura 2 resume estos slidos).

Problemas particularesHaremos una resea rpida de los principales problemas derivados de cada sustancia o

impureza particular contenida en el agua de aporte.

Desde el punto de vista qumico se considera como impureza del agua a cualquier

sustancia que tenga por composicin qumica una frmula diferente de H2O. Estas

impurezas pueden provenir de contaminaciones o bien ser sustancias inherentes al

material utilizado en el almacenamiento del agua.

Las impurezas que normalmente se encuentran en el agua se presentan disueltas o en

suspensin. Dentro de las diversas impurezas podemos mencionar el calcio, magnesio,

bicarbonatos, carbonatos, slice, sodio, slidos disueltos y en suspensin, materia

orgnica, aceite, hierro, cobre, y gases disueltos.

La figura 3 es una tabla que muestra algunos de los problemas que son causados por la

presencia de concentraciones excesivas de algunas de estas impurezas en el agua.

Todos los gases disueltos en el agua de alimentacin pasan al vapor. El desaireador

trmico elimina normalmente los gases presentes en su totalidad. Generalmente se

agrega algo de hidrazina o bisulfito de sodio para eliminar cualquier traza de oxigeno. El

oxgeno es muy corrosivo en todo el sistema de vapor.

El CO2, si bien es totalmente eliminado por el desaireador trmico, puede formarse dentro

de la caldera a partir de la alcalinidad (bicarbonatos). El CO2 es transportado por el vapor y


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se redisuelve en el condensado bajando su pH, con lo que aumenta la corrosividad del

mismo para las caeras de acero al carbono.

FIigura 3PROBLEMAS CAUSADOS POR LAS DISTINTAS IMPUREZAS

IMPUREZA CORROSION FORMACION DEDEPOSITOS ARRASTRECalcio ---- X ----

Magnesio ---- X ----

Bicarbonato X X ----

Carbonato X X ----

Slice ---- X Volatilizacin

Slidos Disueltos ---- ---- X

Slidos en Suspensin ---- X X

Materia Orgnica ---- X X

Hierro ---- X ----

La figura 4 muestra los slidos habitualmente presentes en una caldera, y el efecto del

calor. Ntese que los bicarbonatos constituyen la alcalinidad del agua. Es muy raro que

los carbonatos estn presentes (pH>8.3). Sin embargo, como consecuencia de la

temperatura, se producen reacciones que precipitan CaCO3 e Mg(OH)2, y liberan CO2.

Tambin producen Na2CO3 e NaOH, ambos constituyentes de la alcalinidad del agua de la

caldera. Elevados tenores de alcalinidad producen severos problemas de corrosin.

Figura 4ACCION DE LOS SOLIDOS DISUELTOS INORGANICOS EN EL AGUA DE LA CALDERA

Tres cationes y tres aniones forman nueve sales posibles)

Ca(HCO3)2Mg(HCO3)2

NaHCO3

Estas sustancias sufren transformaciones por

accin del calor

(Se explican mas abajo)

CaSO4 Solubilidad limitada

MgSO4

Na2SO4CaCl2MgCl2NaCl

Solubles en el agua de la caldera

Reacciones debido al calor:

Ca(HCO3)2 -----> CaCO3 + CO2 + H2O

Mg(HCO3)2 -----> MgCO3 + CO2 + H2O

2 NaCO3H -----> CO3Na2 + CO2 + H2O

Reacciones posteriores debido al calor:

H2O + MgCO3 -----> Mg (OH)2 + CO2H2O + Na2CO3 -----> 2 NaOH + CO2


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Los slidos disueltos, al aumentar su concentracin, alcanzan sus solubilidades y pasan

a incrementar los slidos en suspensin. El exceso de slidos disueltos y en suspensin,

y la presencia de trazas de aceites o detergentes, es causa de formacin de espumas yarrastre de gotas en el vapor.

Los slidos en suspensin, y especialmente la dureza, tienden a provocar incrustaciones

sobre los tubos donde se depositan. Estos depsitos constituyen una capa de muy baja

conductividad trmica,

retardando la transferencia de calor desde la llama al agua. En otras palabras, para

transmitir la misma cantidad de calor por unidad de tiempo y de rea, desde la llama al

agua, la temperatura de la pared es cada vez mayor, lo que finalmente deriva en la rotura o

falla de los tubos.

Comparada con el acero de la caldera, la conductividad trmica de los

depsitosmineralesesmuy baja. Algunos valores de conductividad trmica, determinadosexperimentalmente, se muestran en la figura 5.

Figura 5MATERIAL TEMPERATURA( _C ) CONDUCTIVIDADTERMICA

Depsitos en calderas 65 9,1

Serpentita 20 7,0

Yeso 40 2,6

Oxido de hierro 200 4,1

Oxido de cobre 45 7,0

Hierro 100 413

(La conductividad trmica est expresada en BTU/SqFt.h.F.in)

Los efectos provocados por los depsitos en la transferencia de calor se muestran en la

figura 6.

La Slice en el agua de calderas se evapora parcialmente, existiendo un equilibrio entre

slice en el vapor y en el agua, que depende de la temperatura. La presencia de slice en el

vapor es la responsable de severos problemas de erosin en las lneas de vapor y en los

labes de las turbinas, y del posterior desbalanceo del rotor.


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Figura 6EFECTOS CAUSADOS POR LOS DEPOSITOS EN LA TRANSFERENCIA DE CALOR(120.000 BTU/h.sqin ~ 4680 Kcal/h.cm2 )

a) Con cao sin depsitos (f1_, e = 3,4 mm)

3,4 mm

332 C

Cada en el tubo Dt = 32 C

300 C

Cada en la pelcula

Dt = 40 C

260 C

(~ Vapor de 600 #)

Pelcula

b) Cao con incrustaciones (f1_, e = 3,4 mm, espesor incrustacin = 0,024 = 0,61 mm)

3,4 mm

540 C

Cada en el tubo Dt = 37 C

503 C

Cada en el depsito

Dt = 201 C302 C

Cada en la pelcula

Dt = 42 C 260 C

(~ Vapor de 600 #)

Pelcula

Incrustacin


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A la temperatura mxima del tubo (540 C) y a la temperatura lmite permisible de

oxidacin para acero al carbono tipo SA 210, la conductividad estimada para la

incrustacin de sulfato de calcio (~0,024" de espesor) es de 10 BTU/h.Sqft.F/in.-La temperatura de ablandamiento del metal de los tubos de caldera es de alrededor de 482

C. Cuanto mas alta es la temperatura de operacin de la caldera, menos depsitos puede

tolerar.

La presencia de depsitos en una caldera puede traer uno o ms de los siguientes

problemas:

Sobrecalentamiento de los tubos con su consiguiente rotura.

Prdida de rendimiento trmico (mayor consumo de combustible).

Ataque custico.

Fragilidad por hidrgeno.

Performance ineficiente del aparato separador de vapor.

Restriccin del flujo de agua.

Mantenimiento mas frecuente y mas costoso.

Daos fsicos.

TratamientosPara evitar los problemas mencionados se recurre a una serie de tratamientos. Cuando

estos se efectan sobre el agua de alimentacin reciben el nombre de tratamientos

externos. Por el contrario, los tratamientos internos son aquellos efectuados

directamente sobre el agua de la caldera.

Daremos una descripcin rpida de los mismos.

Tratamientos externosEstos tratamientos se efectan sobre el agua de alimentacin, sobre el agua de aporte, y

sobre el retorno de condensado.

El agua de aporte es por lo menos ablandada, o mejor an desmineralizada. El

ablandamiento, efectuado con resinas de intercambio inico, no modifica el total de

slidos disueltos sino que solo reemplaza la dureza (Calcio y magnesio) por sodio. Es

utilizada en calderas de baja presin y con aguas no muy salinas. Cuando la presin de

operacin de la caldera aumenta, se impone la desmineralizacin parcial o total.

A medida que se perfeccionan los sistemas generadores de vapor, es decir a medida que

se aumenta la potencia especfica o tasa de evaporacin por unidad de rea de

calentamiento, los parmetros de calidad de agua de reposicin se tornan ms crticos, y

por lo tanto es necesario recurrir a un estudio detallado de las impurezas contenidas en el

agua, su remocin y la adopcin de un sistema de tratamiento de la misma.


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El condensado arrastra slidos en suspensin y disueltos como consecuencia de la

corrosin de las caeras y equipos, y de las prdidas hacia adentro en las zonas con vaco

(turbina y condensador). Si se utiliza vapor con mquinas alternativas, es posible quetambin tenga aceite.

Dado que el contenido de slidos del condensado es de solo algunas ppm, en calderas de

baja presin no es habitual contar con tratamiento de condensado, pero en calderas que

trabajan por encima de los 40 Kg/cm2 es mandatorio contar con tratamiento de

condensado. Como estos tratamientos tienen por objeto eliminar esas pocas ppm, se los

llama pulido de condensado.

La figura 7 muestra las exigencias habituales para hierro y cobre, dos contaminantes

aportados mayoritariamente por el condensado. El hierro proviene de las caeras de acero

al carbono, mientras que el cobre viene de las aleaciones utilizadas en los tubos de los

condensadores.

El agua de alimentacin (condensado ms agua de aporte) es desaireada (eliminacin de

CO2 y oxgeno) en un desaireador trmico que acta adems como precalentador.

Comnmente estos equipos garantizan un tenor de oxgeno residual inferior a 0.007 ppm

(0.005 ml/l).

Figura 7LIMITES MAXIMOS PARA HIERRO Y COBRE EN EL AGUA DE ALIMENTACIONPresin de trabajo(Kg/cm2) Lmite para hierro(ppm) Lmite para cobre(ppm)

< 21 0,1 0,04

21 a 42 0,05 0,01

42 a 49 0,025 0,005

49 a 56 0,015 0,005

56 a 105 0,001 0,001

> 105


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Figura 8CICLO DE VAPOR

Los fosfatos producen soda custica y los distintos tipos deben ser dosificados en las

proporciones exactas para alcanzar el pH requerido.

Las aminas voltiles tienden a formar una capa protectora hidrfoba sobre las paredes de

las caeras y sistemas de vapor, lo que tiende a aumentar el nivel de proteccin y

disminuye la corrosin.Con el amonaco pasa algo similar. Estos productos, al pasar al vapor son luego

incorporados al condensado alcalinizndolo, lo que disminuye sensiblemente las

posibilidades de corrosin en las lneas de conduccin de condensado. Otra ventaja es la

no presencia de slidos.

Para evitar las incrustaciones debidas a la dureza remanente o al hierro y cobre

incorporados a travs del condensado, se utilizan los fosfatos, que tienden a formar

precipitados que se mantienen finamente divididos y en suspensin, y que salen con la

purga.

Tambin se utilizan agentes quelantes que forman complejos que se mantienen ensolucin.

En resumen podemos decir que existen dos tipos de tratamiento:

Fosfatos: Permiten regular el pH dentro de la caldera y prevenir las incrustaciones. Se

trabaja con concentraciones del orden de las 50 ppm. El exceso se saca con la purga. No

se utilizan con presiones arriba de los 50 Kg/Cm2.

A.V.T.: Nombre derivado de la sigla: "All Volatile Treatment", consiste en utilizar amonaco e

hidrazina solamente, con concentraciones de 1 a 3 ppm. Alcaliniza el condensado. Por


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sobre 50 Kg/Cm2 y en calderas de un solo paso, supercrticas, se utiliza solamente este

sistema.

Originalmente las ventajas del AVT eran neutralizadas por el hecho de que el condensado

ligeramente alcalino (pH entre 8 y 9) era corrosivo para las aleaciones de cobre que se

utilizaban en los tubos de los condensadores. La aparicin de aleaciones de tipo inoxidable

para estos tubos, y el desarrollo de calderas de alta presin y un solo paso (one-through),

donde no resulta admisible la presencia de slidos en el agua de alimentacin, ha dado

impulso a la utilizacin de este sistema.

En calderas de un solo paso y supercrticas, el AVT es mandatorio. En calderas con domo,

el inconveniente que presenta frente al mtodo de los fosfatos es que estos ltimos en el

agua delacaldera actan como amortiguador de las posibles variaciones del pH inducidaspor la contaminacin del condensado por, por ejemplo, prdidas en el condensador. Esta

situacin se evita, sin embargo, disponiendo de equipos de pulido de condensado.

Las tablas de la figura 9 muestran la tolerancia de control de tratamiento qumico de

sistemas generadores de vapor sugeridas de acuerdo con resultados obtenidos de diversas

bibliografas y experiencias prcticas.


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Figura 9TOLERANCIA PARA CONTROL DEL AGUA DE CALDERASCONTROL DE TOLERANCIA

< 21 Kg/cm2 21 a 42 Kg/cm2 42 a 63

Kg/cm263 a 105

Kg/cm2FOSFATO 30 a 50 ppm (PO4) 20 a 40 ppm (PO4) Verificar lacurva

Verificar la

curvaALCALINIDAD 300 a 400 ppm(CO3Ca)

250 a 300 ppm

(CO3Ca)SULFITO 30 a 50 ppm(SO3)

20 a 40 ppm

(SO3)HIDRAZINAen agua dealimentacin

0,1 a 0,2 ppm

(N2H

4)

0,05 a 0,15 ppm

(N2H

4)

0,05 a

0,1 ppm

(N2H4)

0,05 a 0,1

ppm

(N2H4)

SILICE < 150 ppm(SiO2)

50 a 125 ppm max.

(SiO2)SOLIDOSDISUELTOS< 3500 ppm < 2000 ppm

pH AGUA DEALIMENTACION> 8,5 > 8,5 ~9 ~9

pHCONDENSADO8 a 8,5 8 a 8,5 8,5 a 9 8,6 a 9,2

EXCESO DEQUELANTESen el agua decaldera

5 a 10 ppmdivididos por los ciclos

de concentracin del

agua de alimentacin

5 a 10 ppmdivididos por los ciclos de

concentracin del agua de

alimentacin

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